Программирование микроконтроллеров: От первых шагов до эксперта - стр. 2
Основы архитектуры и работы микроконтроллеров
В этой главе мы подробно рассмотрим архитектуру микроконтроллеров, их основные составные части и принципы работы. Понимание архитектуры значительно упростит ваше взаимодействие с микроконтроллерами и позволит более эффективно разрабатывать приложения.
Основные компоненты микроконтроллеров
Микроконтроллер состоит из нескольких ключевых компонентов, каждый из которых выполняет свою уникальную роль. Наиболее важные из них: центральный процессор (ЦП), память (оперативная и постоянная), порты ввода-вывода и периферийные устройства.
Центральный процессор (ЦП) отвечает за выполнение команд. В зависимости от архитектуры, он может иметь одно или несколько ядер. Более современные микроконтроллеры, такие как STM32, часто используют многоядерную архитектуру, что позволяет значительно повысить производительность благодаря параллельной обработке задач.
Память делится на два типа: оперативная память (ОЗУ) и постоянная память (ПЗУ). ОЗУ используется для временного хранения данных в процессе выполнения программы, а ПЗУ хранит инструкции, которые должны выполняться после перезагрузки устройства. Например, в микроконтроллерах AVR используется флэш-память для хранения программного кода и ЭППРОМ для хранения данных, которые не должны исчезнуть после отключения питания.
Порты ввода-вывода являются интерфейсом между микроконтроллером и внешним миром. Они позволяют микроконтроллеру взаимодействовать с периферийными устройствами, такими как кнопки, светодиоды, датчики и двигатели. Важно понимать, как настраивать порты для различных режимов работы – цифрового или аналогового, входного или выходного. Например, настройка порта для работы в качестве выхода может выглядеть так: DRB |= (1 << DDB0); где DDRB – регистр управления направлением порта B, а DDB0 – бит, отвечающий за первый порт.
Принципы работы микроконтроллеров
Давайте подробнее остановимся на принципах работы микроконтроллеров. Основной цикл, в котором работает микроконтроллер, называется циклом "чтения-исполнения". Этот цикл включает несколько ключевых этапов: извлечение инструкции из памяти, её декодирование и выполнение.
На этапе извлечения ЦП считывает очередную инструкцию из постоянной памяти. Сначала это происходит по адресу, который хранится в регистре счётчика команд (PC). После извлечения инструкция декодируется, чтобы понять, какие действия нужно выполнить. Например, команда сложения требует загрузки двух чисел из ОЗУ в регистры, а затем запись результата сложения обратно в память.
После декодирования команда выполняется. В этом процессе важны временные показатели, поскольку операции могут занимать различное время в зависимости от архитектуры и конкретных инструкций. Для оптимизации времени выполнения критически важно знать характер вычислений и их последовательность. Это можно достигнуть с помощью прямой или косвенной адресации, что позволяет более гибко управлять доступом к данным.
Управление прерываниями
Прерывания – это ещё одна важная концепция, которую следует освоить. Прерывания позволяют микроконтроллеру реагировать на события внешних условий, не дожидаясь завершения текущей команды. Существует два типа прерываний: аппаратные и программные.
Аппаратные прерывания сигнализируют микроконтроллеру о необходимости немедленного выполнения определённого кода, когда происходит определённое событие, например, нажатие кнопки или поступление сигнала от датчика. Для настройки внешнего прерывания в AVR можно использовать регистр EICRA, который позволяет задавать режим срабатывания (по нарастающему фронту, по спадающему фронту и так далее).